技术 | 摩擦化学能提高润滑油行业的可持续发展吗？

“摩擦化学是研究在严峻的操作条件下，润滑剂和表面之间发生的反应，即边界润滑。”摩擦学家及润滑工程师协会(Society of Tribologists and lubrication Engineers)的研究员Neil Canter在该协会赞助的播客节目中说道。

显而易见，摩擦化学是润滑油行业的一门关键科学，但摩擦化学如何使润滑油的应用更加可持续却不太清楚。

首先，摩擦化学可用于寻找创新方法来减少摩擦和提高能源效率，同时降低成本。在同一个播客中，Timken Company 的产品开发专家 Kuldeep Mistry 解释说，乘用汽车在运行过程中会损失大量的能源。他说：“发动机和变速箱中‘有很多摩擦化学反应’。它们互相摩擦，我们因此损失了数百万欧元。因此，如果你在这里管理好摩擦化学反应，以及如果你有合适的材料和润滑剂，你将会获得很显著的节省，会因此让效率提高，让部件的使用寿命更长。”

这同样适用于其他类型的设备，例如用于航空航天和采矿应用的设备。Mistry说道：“有很多部件，比如齿轮或轴承，它们都用上了润滑剂，都有着很多摩擦化学反应。因此，考虑这些方面是非常非常重要的。”

效率的提高也会降低排放。Mistry表示：“由于对摩擦学和摩擦化学有了更好的理解，我们也因此取得了巨大的进步。现在，我们与磨损有关的故障正在减少，这一切真的对我们大有帮助。”

摩擦化学还可以帮助我们了解润滑油与发动机和其他部件中使用的不同类型的金属和涂层相结合时的性能。Mistry继续说道：“利用摩擦化学的知识，我们正在试图理解润滑剂和冶金的正确组合，这能给你带来最低的摩擦和磨损。与此同时，我们也在努力获得更高的功率密度。所以人们在寻找着更轻的材料，他们在研究着不同的合金选择。从长远来看，这一切都会有所帮助的，因为这将使这些系统变得更有效率、更耐用。”

美国能源部桑迪亚国家实验室材料科学中心的科学家 Nicolas Argibay 在同一期播客中表示，摩擦化学可以为润滑油行业中最紧迫的可持续性问题提供不同的、更环保的解决方案。作为例证，他提供了一篇由《纽约时报》于 2016 年 7 月 18 日发表的文章，题为“共同研磨化学品，努力变得更环保”。这篇文章描述了辛辛那提大学教授James Mack和他上中学的儿子之间的比赛，他们竞相准备准备一批二苯乙烯。为此，Mack 建立了一个传统的湿化学工作站，其中包括加热烧瓶和搅拌器。他的儿子使用了类似的材料，但使用了球磨机来激活必要的反应。

Argibay说:“你可以想象谁赢得了这场比赛，不仅获得了明显更快的结果，还获得了明显更高的收益。所有这些都是在一个更安全的室温下进行的，他儿子的领先优势大约是两个小时。”

这个轶事和摩擦化学促进未来可持续发展的能力有什么关系?通过强调化学领域标准实践外的更安全、更简单的替代方案，说明了化学的进步可以带来其他领域更多的收益。“我认为可以肯定地说，一场绿色环保化学运动正在进行中，它将与摩擦学的研究方法和目标密切相关，”Argibay表示。

此外，Argibay 解释说：“摩擦学家和我们的群体可以与更广泛的科学家和行业合作伙伴合作，共同发展摩擦化学领域，以应对气候变化并确保更可持续的未来。也就是说，我们需要把目光从减少磨损和摩擦转向潜在的影响和化学处理。具体来说，在传统化学合成路线的摩擦学替代路线的开发中，似乎存在着巨大的尚未实现的潜力。”

Argibay 注意到 Karen Ardilla Fiero 和 Jose Hernandez 撰写的一篇题为“利用绿色化学的十二项原则对机械化学进行的可持续性评估”的文章。这篇文章提供了几个例子，说明球磨、研磨和双螺杆挤压可以作为合成化学物质和材料（如金属有机框架）的更节能、更安全、更低浪费的替代品。“MOF 是一种很有发展前途的材料系统，可用于有效储存氢以及许多有机和无机化合物，例如制造永磁体所需的化合物，”Argibay 说。

实践中的摩擦化学

现今如何使用摩擦化学来提高润滑油行业的可持续性发展呢？

Argibay说:“一个在摩擦化学实践过程中令人兴奋的例子是，我们在Sandia的团队最近发现了一种原位室温形成路线，可以形成高耐磨性、润滑的类金刚石碳，或DLC薄膜。在某些情况下，这能可以完全消除一些对合成室和昂贵工序的需求，甚至可能实现令人兴奋的新前景，像设计自愈或‘抗脆弱’系统等等。”Argibay还说道：“例如，这些方法可以用来减少齿轮箱和轴承等机械设备中对油润滑的需求，在某些特殊情况下甚至可能会消除这种需求。因此，我们可以想象一下在轴承中原位形成类金刚石碳作为传统油润滑替代品的可能性。但我也要指出一个重要的警告：这个当然只是在冷却速度不是限制因素的应用中才能做的。”

也就是说，Argibay和他的团队表明了在一种极其坚硬、超耐磨的铂基涂层表面，通过剪切产生类金刚石的全覆盖薄膜是可能的，这种涂层是沉积在廉价的块状材料(如钢铁)上的。

而且，Argibay的团队在没有大量材料成本的情况下做到了这一点。Argibay说：“你一听到铂金，就会觉得贵。这确实是的，大家都知道铂是昂贵的，但是当你镀上一层厚度为 100 纳米的涂层时，与传统的类金刚石碳涂层的沉积等相比，这会产生微不足道的额外材料成本。这种摩擦化学生长的薄膜具有类金刚石碳涂层的所有特性和性能，包括超级润滑，它是由周围的碳氢化合物(如室温下的酒精蒸汽)分解生成的，这是另一个有用的特性。”

对摩擦化学的价值主张建立清晰的认识可能还为时过早。“反应过程的复杂性以及对更高保真度和原位表征的要求以更好地理解和优化这些摩擦化学过程提出了巨大但极具吸引力的学术挑战，”Argibay 说。“此外，许多可能有机会改善性能的应用（例如磨损期限），在实施新技术时会带来高风险和投入许多成本，这将彻底改变传统处理方式和既定的做事方法。”

不过，他表示，越来越多的证据表明，收益将超过成本。“找到低准入门槛或早期采用的机会，将是实现高效率、安全性和可持续性的深远改善的关键一步。”

Argibay 举了一个应用示例，其中进入的风险和成本相对较低，但影响潜力很大：开发用于齿轮箱和活塞发动机等设备的新油润滑添加剂，以及开发组合式可针对 EV 动力系统进行优化的润滑油和冷却剂。他说：“这些低成本或抢滩市场的中心思想是，改变添加剂配方不太可能需要对发动机缸体和其他广泛使用的部件中已经应用的设计或基本材料进行重大改变。”

可能有人会担心，使用传统成本高昂的材料（如铂）可能会导致高成本。Argibay说:“这个想法似乎仍然过于激进，不适合行业采用，但持续的发展可能会有更便宜的替代材料和路线的发现，在某种程度上，可以克服情感上而不是经济上的反应。设计师会认为贵重金属太贵，无法推出新的齿轮箱或轴承，这并不奇怪。然而，用100纳米的纯铂薄膜覆盖一平方米的表面面积事实上只需要74美元的材料成本。”

Argibay 说：“冒着风险去重新设计运行良好且经过微调和优化的东西是有实际成本的。所以这再次说明了这样的一个理念，即摩擦化学实践过程的一些抢滩切入点可能比其他的成本或风险更低，我们当然也希望首先能做到这样。但我认为，随着我们逐渐表明我们可以做这些事情并且能把它们做好，收益就会变得很明显。我们从成本、可持续性等角度来看，根本性的改变是非常有益的。

《润滑油品导购》编译